小型无人机用汽油机配气系统参数选择_图文

1、第11卷 第4期 2011年2月1671 1815(20114 0740 05科 学 技 术 与 工 程Sc i ence T echno logy and Eng i neer i ngV o l11 N o 4 F eb 2011 2011 Sc i T ech Engng动力技术小型无人机用汽油机配气系统参数选择高新华(北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100091摘 要 通过调整进气歧管长度和配气正时,充分利用进气谐振效果,提高目标发动机在标定转速下的充气效率;进而提高该小型航空汽油机的动力性能。最后对目标发动机的经济性和动力性做出评价。关键词 谐振 航空汽油机 动力性能中图法分

2、类号 TK413.4; 文献标志码A2010年11月30日收到 作者简介:高新华(1980 ,男,山西大同人,研究方向:动力机械。E m ai:l gaoxh131yahoo .co 。根据美国空军2009 2047年无人机发展规划,小型无人机系统(SUAS作为介于单兵无人机和掠食者级无人机之间的机型,可以最好地整合有人和无人的作战能力,在这方面超过掠食者级(MQ 1/9和全球鹰级(RQ 4。可在非对称战争中发挥着至关重要的作用,被美军视为未来不对称战争中最大的威胁。中小型航空发动机在功率选择上,要考虑的主要有两点:一是需求,二是技术风险。需求方面:在军用无人机领域,小型无人侦查机的市场需求旺

3、盛(表1为新近服役的小型无人机的主要型号。表1 近期小型无人机主要型号UAV 型号功率/kW起飞重量/kg34170>4000在民用领域,小型无人机在森林防火、水文监测等方面用途广泛;另外该功率发动机与动力伞的功率范围有很大程度上的重叠,所以对于该功率范围发动机的市场需求量巨大。技术风险方面:该功率发动机成本较低,技术风险小。所以该发动机的成功研制,必将极大的促进轻型通用飞机动力的研制,对于通用航空市场蓬勃发展的我国来说,意义重大。综上所述,目标发动机的主要结构和性能指标如表2。表2 目标发动机主要结构与性能发动机型式2缸,水平对置,风冷进气形式自然吸气气门数2气门缸径 行程/mm66.

4、5 51排量/L 0.354压缩比11标定功率/k W 28标定转速n /(r m i n -167001 影响配气系统性能的结构因素自然吸气汽油机配气系统性能的主要影响因素为进、排气谐振效果和配气正时,并且进气谐振与进气正时之间有着密切的联系。目前国内外研究发动机进气系统谐振,使用较多的是H el m ho ltz 1模型。该谐振模型把进气管和气缸对谐振转速的影响,简单地统归到谐振管截面积、谐振管长度、谐振箱容积。而对于汽油机配气相位的理论研究主要方法是基于气缸的充气效率。根据非等熵过程容积法,经物理推导可以得出如下公式。1.1 瞬时压力P(K =P(K -1+d pd x(K X (11.

5、2 瞬时质量M(K =M (K -1+d M d x(K X (2式(2中:d Md x(K X 为某瞬时流入流出某容积的气体质量的代数和,M 为气阀开启期内进出气体质量之和。P 、M 均为无因次参数。由于上述公式通常只能得出较粗糙的结果,不能得到最优的配气正时参数。所以模拟计算成为当前研究配齐正时的主要方法。图1 为基于GT pow er 的模型图。图1 GT pow er 模型2 配气系统参数对发动机性能的影响2.1 进气歧管进气歧管的形状影响进气分配均匀性。进气歧管的长度和直径影响进气谐振增压效果。管径大小根据气门的流通面积来基本确定,并经过仿真计算得到。当管径为33mm 左右时,对进气

6、效果影响在一个稳定的区间内,所以确定歧管直径为33mm,可以有效地保证进气的稳定性。管长是影响谐振效果的关键因素,通过仿真计算确定最优管长,以便充分利用进气管内气体的动力效应来提高发动机的性能。由下图可以看出,在标定转速下进气歧管长度为390mm 时功率最大;而且在(4000 7500r /m in 时都保持较高的扭矩,燃油经济性较好。170mm 、280mm 时,发动机只有在高转速下才具有较大功率,而且在整个转速范围内,发动机的扭矩水平较低。这对于航空螺旋桨发动机非常不利。 仿真结果如图2 图 4。图2 进气歧管长度对功率的影响图3 进气歧管长度对扭矩的影响图4 进气歧管长度对经济性的影响7

7、414期高新华:小型无人机用汽油机配气系统参数选择这是因为对于自然吸气汽油机,进气效果的好坏在很大程度上取决于进气谐振效果2。活塞下行产生的负压力波,在出口处由于外界空气的急速流入反射为正压力波,重新进入进气管路和负压力波叠加。当正压力波的传播时间t 为进气总时间t s 的1/2时,进气效果最好3。结合理论计算结果,并考虑进气总管的影响,最终确定进气歧管长度为390mm,符合理论范围,模拟计算结果可信。采用相同的方法计算排气歧管,在采用多级共振腔式消音器时,排气歧管内径32mm,外形总长度370mm 。2.2 配气相位配气相位是依据气流的惯性和压差的大小来确定的。以提高充气效率,改善动力性和经

8、济性为原则。气门升程,根据目标发动机的进气道流通面积来确定。在最大升程时,气门处的流通面积略大于进气道流通面积。根据模拟计算在升程为10.6mm 时,升程对充量系数的影响趋于稳定,所以升程确定为10.6mm 。2.2.1 进气相位与歧管长度首先在此升程下,进一步校准歧管长度与配气 相位的匹配关系。结果如下。图5 不同管长下配气正时和功率的关系由上图可知:当管长为390mm 时,目标发动机在标定转速下有着最佳的动力性能和较好的经济性。并且当进气早开角为34 时发动机的功率和扭矩达到峰值。由上图还可以看出:随着进气管长的增加,在该管长下的峰值功率和峰值扭矩出现的位置前移4,即在进气早开角较大时达到

9、。这是因为进气歧管越长,正压力波到达进气门所需要的时间越长。在排气门晚管角度不变时,进气门的提前开启意味着进气总时间的延长,使正压力波到达气门的时间,更加理想。所以在进气管较长时,进气效果 在进气早开角较大时达到最佳。图6 不同管长下配气正时和扭矩的关系图7 不同管长下配气正时和油耗的关系图8 配气正时对充量系数742科 学 技 术 与 工 程11卷2.2.2 进排气相位关系下面考虑在一定的气门叠开期内,配气相位的变化,在整个转速范围内对发动机性能的影响。结果如图8 图10 。图9 配气正时对功率的影响由上图可知,当进气早开34 晚关64 时,在标定转速以下,发动机都具有最高的充气效率,最大的

10、扭矩, 以及最高的功率。图10 配气正时对扭矩的影响原因是在相同的进气迟闭角,在发动机低转速时,进气门迟闭时间相对较长;而在较高转速时,迟闭时间变短。计算的目的在于找到在特定转速下,能最好利用进气正压力波的进气开启角度;和不至于导致新鲜冲量过多外流的排气门晚关角。由上图可以看出,配气相位定为早开角34 ,晚关角64 时,在标定转速下, 发动机动力性能最佳。图11 节气门全开7434期高新华:小型无人机用汽油机配气系统参数选择3 整机性能分析图11为目标发动机在节气门全开时的整机性能。3.1 经济性从图11中可以看出,从3000r/m i n到7050r/m in时油耗低于240g/(k W h

11、,经济性好;但在低转速时,油耗高,经济性差,且转速越低,燃油消耗越高;转速超过7050r/m i n时,燃油消耗率也会缓慢上升。3.2 适应性及动力性3.2.1 转速因子转速因子e r在一定程度上决定着发动机的适应性能。其数值越大,适应性就越好。3.2.2 功率因子功率因子是决定发动机动力性能的重要因素。其数值越大,动力性能就越好。3.2.3 扭矩因子扭矩因子e T(亦称扭矩适应性系数是发动机动力特性的标志。它既影响发动机的动力性能,又影响发动机的适应性能。根据计算5得,该发动机e r=1.04;e P=0.99;e T=1.02。从所得到的数值可以看出:目标发动机动力性能出众,但是转速适应性

12、不强。航空发动机以螺旋桨特性工作,转速基本恒定,所以对于转速适应性要求较低,而对动力性能和扭矩要求较高。所以该目标发动机适应航空工作需要。4 结论(1进、排气谐振效果对于发动机的充气效率有着很大的影响。进排气管的长度对谐振效果起着决定性的作用。在特定转速下存在着最佳管路长度,可以是发动机的充气效率大于1。(2发动机的配气正时和谐振效果之间有着密切的关系,在不同的管路长度对应着不同的气门正时角度。(3与地面发动机相比,航空发动机有着特殊的要求,这就使配气系统的结构参数也要相应的做出调整。参 考 文 献1 贾丽冬,田丽萍.谐振进气的汽油/LP G双燃料发动机试验研究,中国内燃机学会2005年学术年

13、会,2005;(10:534 536机性能.内燃机工程,1995;16(3:24 28响的实验研究.四川大学学报,2007;5:167 170研究.车辆与动力技术,2008;(2:14 17,385.宫春峰,刁增祥,彭 莫.内燃机的动力特性.内燃机学报,2000;18(4:339 442D eter m i ne the Valve Syste m Para m eters for S UAV Gasoli ne Engi neGAO X in hua(S chool of Transportati on S ci ence and Eng i neeri ng BUAA,B eiji ng100091,P.R.Ch i naA bstract Ad j u st the leng th of the intake m anifold and va l v e ti m ing,the i n take resonance effect is f u ll used to increase the engine vo l u m etric efficiency under so m e ra ted speed,and then i n crease the perfor m ance of s m